Lors de la phase d'atterrissage d'un avion de transport civil, une partie de l'écoulement entrant dans les réacteurs est réorientée grâce aux inverseurs de poussée. Ces derniers créent une contre poussée qui participe au freinage de l'avion. L'étude présentée porte sur la modélisation numérique de l'écoulement sortant des inverseurs sous forme de jets, qui peuvent, par exemple, venir heurter des parties sensibles de l'avion. C'est la raison pour laquelle il est important de prévoir et de contrôler leur trajectoire dès la phase de conception des inverseurs

BLIN, Laurent

BOUTEILLER, Xavier

CHERFILS, Jean-Marc

PINON, Grégory

RIVOALEN, Elie

I-Revues

18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
Modélisation numérique des écoulements externes d’inverseur de poussée.
Une aide pour la conception des nacelles.
Grégory Pinon†, Jean-Marc Cherfils†, Xavier Bouteiller⋆, Laurent Blin⋆ et Elie Rivoalen†
† Université du Havre
Laboratoire de Mécanique, Physique et Géosciences
25, rue P. Lebon BP 540 - 76058 Le Havre Cedex
gregory.pinon@univ-lehavre.fr
⋆ Aircelle Le Havre : Groupe SAFRAN
Route du pont VIII BP91 - 76700 Gonfreville l’Orcher
Résumé :
Lors de la phase d’atterrissage d’un avion de transport civil, une partie de l’écoulement entrant dans les réacteurs
est réorientée grâce aux inverseurs de poussée. Ces derniers créent une contre poussée qui participe au freinage de
l’avion. L’étude présentée porte sur la modélisation numérique de l’écoulement sortant des inverseurs sous forme
de jets, qui peuvent, par exemple, venir heurter des parties sensibles de l’avion. C’est la raison pour laquelle il est
important de prévoir et de contrôler leur trajectoire dès la phase de conception des inverseurs.
Abstract :
During landing, civil aircrafts use specific devices to reorient the in-flux entering the engine, the thrust-reversers.
They help the aircraft bracke, especially during bad weather conditions. This study deals with numerical simulation
of the jet-like flow that comes out from the thrust-reversers. For instance, these jets can impinge some critical parts
of the airplane. This is the reason why it is very important to predict and to monitor the jet trajectory as soon as
the conception phase of the thrust-reversers.
Mots-clefs :
inverseurs de poussée ; méthode particulaire ; simulation numérique
1 Introduction
L’augmentation du trafic aérien oblige les avions à atterrir sur une plus courte distance et
par tous les temps. Les avions actuels utilisent pour le freinage des inverseurs de poussée. Ces
systèmes permettent d’inverser le flux d’air aspiré par les moteurs en le redirigeant vers l’avant
de l’appareil. Le flux sortant est issu d’orifices situés généralement sur les côtés du moteur
et se présente sous forme de jets. Ces derniers peuvent rebondir sur le sol et être réingérés
par le moteur voisin ou encore venir heurter des parties sensibles de l’avion (aile, fuselage,
empenage...). Il est donc important de connaître ou de prévoir au moins la trajectoire des jets
dès la phase de conception de l’inverseur.
Les codes numériques, de type eulérien, sont utilisés pour dimensionner les inverseurs mais,
du fait de leur coût prohibitif sur des domaines étendus, ils ne peuvent que rarement être utilisés
pour la simulation de l’écoulement des jets sur une longue distance. Ils sont donc utilisés pour
des calculs de la partie interne de l’inverseur de poussée et une méthode numérique plus adaptée
à la partie externe est alors nécessaire.
L’objectif de cette étude est de présenter les résultats obtenus sur le cas d’un avion en phase
d’atterrissage, il s’agit en fait de la suite logique des précédents travaux présentés par Pinon et
al. (2005).
1
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
2 Les méthodes numériques utilisées
2.1 Généralités sur le code de simulation numérique
Le code de simulation numérique utilisé est un code lagrangien utilisant la méthode particu-
laire de type vortex blob. Les caractéristiques générales de ce code sont présentées dans Pinon et
al. (2005) et Pinon (2005). Nous utilisons le noyau de Moore régularisé et un algorithme de
Treecode a été implémenté d’après les travaux de Lindsay et al. (2001) afin d’augmenter la puis-
sance de calcul. Nous utilisons un schéma Runge Kutta d’ordre 2 en temps. En ce qui concerne
les aspects diffusifs, la méthode PSE (Particle Strengh Exchange) est utilisée pour la diffusion
et nous utilisons le modèle de turbulence de type LES-SGE défini par Mansour et al. (1978)
pour obtenir la viscosité turbulente νt.
2.2 Implémentations spécifiques pour les simulations industrielles
2.2.1 Le couplage Euler-Lagrange
Le code de simulation présenté ci-dessus est utilisé pour des simulations académiques sur
des anneaux tourbillonnaires (Pinon et al. (2007)) mais aussi pour les applications industrielles
d’aide à la conception des nouveaux inverseurs de poussée. Pour ce faire, nous avons implé-
menté dans le code un module de couplage entre les résultats des simulations euleriennes et
nos simulations lagrangiennes. Les simulations euleriennes sont réalisées pour concevoir et di-
mensionner les inverseurs, il s’agit de la partie interne des inverseurs. Aircelle utilise le logiciel
Fluent pour ces simulations. Les simulations lagrangiennes sont, quant à elles, utilisées pour les
écoulements de jets issus de ces inverseurs, c’est à dire la partie externe. Le module de couplage
consiste en un couplage "faible", dans le sens où il n’y a pas de rétroaction des simulations la-
grangiennes sur les simulations euleriennes (utilision d’une surface de couplage et d’une zone
tampon). Cette méthode de couplage a été bien détaillée notamment dans Pinon et al. (2005)
et Pinon (2005). De manière générale, la méthode de couplage montre une grande capacité de
conservation des débits, notamment due au fait qu’il s’agit d’une méthode intégrale de frontière
mais présente une faiblesse au niveau de la prise en compte du Reynolds. Il ressort des études
précédentes que le calage en Reynolds peut-être notoirement amélioré, notamment par la mise
en place d’un modèle de turbulence de type LES-SGE de meilleure qualité, ce qui est envisagé
à terme.
2.2.2 La prise en compte du fuselage, des ailes, de la nacelle et du sol
La méthode de couplage Euler-Lagrange présentée ci-dessus est utilisée pour faire le lien
entre les simulations internes et externes de l’inverseur de poussée. Pour ces dernières, il est
indispensable de prendre en compte le fuselage, les ailes, la nacelle et enfin le sol pour définir
le domaine de simulation qui a priori est non borné ou infini. Dans un premier temps, pour
ne pas rendre les simulations trop complexes, nous ne souhaitons pas prendre en compte la
condition d’adhérence sur ces parois. Nous avons en réalité implémenté une méthode de vitesse
normale nulle grâce à une distribution surfacique de sources d’après Bousquet (1990). L’image
de gauche de la figure 1 représente la configuration initiale des simulations, la figure de droite
présente un zoom sur la partie avant de la nacelle avec l’entrée d’air. Sur cette dernière image,
nous pouvons observer la surface de couplage de forme annulaire autour de la nacelle. Les
particules de la zone tampon sont représentées par des cercles proportionnels au module de
vorticité qu’elles transportent. On observe très nettement les zones de jet d’inverseur (couleur
rouge sur la surface de couplage) et les couches de cisaillement des jets (particules plus grosses
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XY
Z
|U|
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
|ω|: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
X
Y
Z|U|
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
|ω|: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
FIG. 1 – Gauche : Configuration initiale de la simulation de type industriel. Droite : Zoom sur la par-
tie avant de la nacelle pour un inverseur à quatre portes. Les mailles grises représentent le maillage
surfacique pour la méthode de vitesse normale nulle (Bousquet (1990)), |U | représente la vitesse adi-
mensionnée sur la surface de couplage et |ω| représente la vorticité des particules de la zone tampon sous
forme de cercle proportionnels à |ω|.
autour des zones de jet). Les vitesses entrantes au niveau de l’entrée d’air de la nacelle sont elles
aussi prises en compte par la méthode de distribution surfacique de sources, où nous imposons
alors une vitesse normale prescrite par Aircelle.
3 Les résultats des simulations numériques
3.1 Les inverseurs à portes avec et sans becquet
FIG. 2 – Gauche : Photographie d’un inverseur de poussée à porte conçue par l’entreprise Aircelle
Centre : Zoom d’une géométrie d’un quart d’inverseur de poussée à porte, inverseur sans becquet. Droite :
Zoom d’une géométrie d’un quart d’inverseur de poussée à porte, inverseur avec becquet. Pour les images
du centre et de droite, il s’agit des géométries utilisées pour les simulations euleriennes.
Il existe plusieurs configurations d’inverseurs, les inverseurs à portes (Cf. figure 2), les in-
verseurs à grilles et les inverseurs à obstacle aval... Pour cette étude, nous nous sommes foca-
lisés sur l’étude d’un inverseur à porte qui avait été préalablement étudié expérimentalement
par l’entreprise Valttec (Zoppellari (2000)). Sur cet inverseur à porte, deux configurations sont
possibles, avec et sans becquet comme le montre les images de la figure 2. De manière schéma-
tique, l’utilisation de becquet donne une contre-poussée plus importante pour un débit identique
car les jets issus des inverseurs sont ré-orientés plus vers l’avant de l’appareil. Toutefois, il y a
plus de risque de ré-ingestion avec des inverseurs possédant des becquets car les jets, remontant
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18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
plus vers l’amont, sont à proximité de l’entrée d’air. Etant donné que cette étude n’en est en-
core qu’à une phase de pré-industrialisation, nous avons voulu, grâce à l’utilisation ou non de
becquet, comparer de manière qualitative les résultats avant une étude quantitative plus appro-
fondie. De plus, dans les essais réalisés par Zoppellari (2000) pour Valttec, il avait été observé
que pour une certaine gamme de paramètres, il y avait ré-ingestion avec la présence de becquet
ce qui n’était pas le cas sans les becquets.
3.2 Détermination des cas de ré-ingestion
Y X
Z
|U|
280.0
228.6
186.6
152.3
124.3
101.5
82.8
67.6
55.2
45.0
36.8
30.0
24.5
20.0
Y X
Z
|U|
280.0
228.6
186.6
152.3
124.3
101.5
82.8
67.6
55.2
45.0
36.8
30.0
24.5
20.0
FIG. 3 – Coupes verticales de l’écoulement réalisées de manière excentrées par rapport à l’axe de la
nacelle. Comparaison des simulations sans (gauche) et avec becquet (droite) pour une simulation de type
industriel pour un inverseur à 4 portes. Le cas avec becquet met en évidence la présence de ré-ingestion
dans ces conditions. |U | représente le module de vitesse adimensionné.
La figure 3 présente deux coupes verticales de l’écoulement réalisées le long de l’axe de
symétrie de la nacelle de manière excentrées. L’image de gauche ne présente pas de cas de ré-
ingestion et l’écoulement issu des portes inférieures et supérieures est advecté vers l’arrière (Cf.
Pinon (2005)) suite à l’action de la vitesse d’avance de l’avion lorsqu’il atterrit. Néanmoins,
on observe sur ce graphe la présence du cône d’aspiration dû à l’entrée d’air de la nacelle. Pour
ce qui est du cas d’inverseur avec becquet (Cf. figure 3 à droite), on observe clairement que
l’on est en présence d’un cas de ré-ingestion. Si on se focalise sur la partie inférieure de cette
figure, on observe que le jet issu du quart inférieur de la nacelle sort et heurte directement le
sol. Il remonte alors le long de la nacelle pour finalement arriver au niveau de l’entrée d’air. Il
est alors aspiré par le cône d’aspiration de celle-ci. Nous avons donc pu discréminer de manière
qualitative un cas de ré-ingestion dans une gamme de paramètres où les deux configurations
d’inverseur ne donnent pas les mêmes résultats expérimentalement. Avec la présence de bec-
quet, nous avons déterminé qu’il y avait ré-ingestion comme l’avait observé l’entreprise Valttec
(Zoppellari (2000)) ; ce qui n’est pas le cas sans les becquets comme nous l’avons obtenu.
Au niveau de la chaîne de calcul mise en place pour la phase de conception d’un inverseur, les
simulations Fluent ont été réalisées sur 2 noeuds d’un serveur de calcul chez Aircelle en 24 h
approximativement. En ce qui concerne les simulations couplées, elles ont été réalisées sur 8
noeuds du calculateur du CRIHAN 1 en 6 jours environ. L’ensemble de la chaîne de simulation
se fait actuellement en une semaine environ ce qui est encore trop long pour une réelle utilisa-
tion durant la conception des nouveaux inverseurs. Néanmoins, de nombreuses améliorations
sont encore possibles.
1Il s’agit du cluster IBM Power4 P690 ayant une performance crête théorique de 5.2 GFlops par processeur.
4
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
4 Conclusion
Ce papier, qui fait suite aux précédents papiers soumis au CFM (Cf. Bratec et al. (2003); Pi-
non et al. (2005)) présente les dernières évolutions d’un travail dont le but final est la simulation
complète des jets issus des inverseurs de poussée pour un avion en phase d’atterrissage. Pour la
première fois, nous sommes passés sur des configurations de simulation proches des configura-
tions réelles avec la prise en compte du fuselage, des ailes, de la nacelle et du sol. De plus, nous
avons mis en évidence de manière numérique des cas de ré-ingestion comme l’avaient déter-
miné les expériences réalisées sur ces configurations ce qui est de très bonne augure pour l’aide
à la conception des futurs inverseurs de poussée. En effet, nous espérons pouvoir déterminer de
manière précise des cas de ré-ingestion avant même les phases expérimentales et ainsi éviter
des passages coûteux en soufflerie. Nous travaillons actuellement à la diminution des temps
de simulation sur un nouvel inverseur que Aircelle doit concevoir, celui-ci de la motorisation
SaM146 du Superjet 100, un avion régional russe.
Références
Bousquet J. 1990 Méthode des singularités. Cépaduès-Editions, Toulouse.
Bratec H., Rivoalen E., Huberson S. 2003 Modélisation numérique d’un jet issu d’un inverseur
de poussée plan. 16 ième Congrès Français de Mécanique
Lindsay K., Krasny, R. 2001 A particle method and adaptive treecode for vortex sheet motion
in three-dimensional flow. J. Comput. Phys. 172 879-907
Mansour N.N., Ferziger J.H., Reynolds W.C. 1978 Large-eddy simulation of a turbulent mixing
layer Report TF-11, Thermosciences Div. Dept. of Mech. Eng., Stanford University.
Pinon, G. 2005 Modélisation numérique de jets transverses : Application au cas des inverseurs
de poussée d’un avion en phase d’atterrissage. PhD thesis Université du Havre, Le Havre.
Pinon G., Bratec H., Huberson S., Pignot G., Rivoalen E. 2005 Vortex method for the simulation
of a 3D round jet a cross-stream. J. Turbulence Vol 6 - n 18 1-25
Pinon G., Pignot G., Bendaoud M., Blin L. 2005 Modélisation numérique des écoulements
externes d’inverseur de poussée. 17 ième Congrès Français de Mécanique
Pinon G., Delbende I., Rivoalen E., Rossi M. 2007 Instabilité secondaire sur un anneau de
vorticité. Soumis au 18 ième Congrès Français de Mécanique
Zoppellari, E. 2000 Détermination expérimentale de la structure et de la trajectoire des jets issus
d’un inverseur de poussée. Rapport d’essai Valttec, Poitiers.
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